Síntese, caracterização e propriedades de materiais híbridos formados entre Polianilina e óxidos de Vanádio obtidos pelo Processo Sol-Gel

Abstract

Resumo: O presente trabalho discute a obtenção de diferentes óxidos de vanádio através do processamento sol-gel de um novo alcóxido precursor de vanádio(IV), [V2(OR)8] (OR = isopropóxido), e a utilização desses óxidos como fração inorgânica no desenvolvimento de novos materiais híbridos formados com a polianilina. O óxido de vanádio obtido a 55 ºC (VOx) foi caracterizado porespectroscopias IV-TF, Raman, RPE e UV-Vis (modos absorvância e refletância), bem como por DRX, MET (modo baixa e alta resolução), TGA, difração de elétrons e voltametria cíclica. Os resultados indicam que este óxido possui valência mista (IV/V), com estequiometria provável V10O24.nH2O e estruturalamelar facilmente esfoliável em dispersões aquosas. O tratamento térmico do VOx a 400 ºC ao ar levou à formação de nanopartículas esféricas de V2O5 (5-20 nm), que também foram caracterizadas pelo conjunto de técnicas listadas anteriormente. Os resultados obtidos através da técnica de voltametria cíclica mostraram uma excelente capacidade de inserção de íons lítio para o VOx, além de uma alta reversibilidade no processo de inserção/desinserção de íons Li+. Essas propriedades indicam que o VOx seja um material promissor para aplicação em cátodos de baterias recarregáveis. Bons resultados também foram obtidos para o V2O5. Para a síntese dos materiais híbridos, os óxidos VOx e V2O5 foramadicionados a soluções ácidas de anilina em diferentes proporções molares. A presença dos centros de vanádio(V) nos óxidos levou à polimerização oxidativa da anilina sem a necessidade de adição de um agente oxidante. Todos osmateriais híbridos foram caracterizados através das técnicas descritas anteriormente e os resultados confirmaram a formação da polianilina na sua forma condutora, sal esmeraldina. Através das imagens de MET foi possível observar a presença de nanopartículas de ambos os óxidos dispersas na massa de polianilina. Com base nas micrografias, pôde-se propor um modelo esquemático da mudança morfológica que ocorre nestes materiais de acordo com as razões molares estudadas. As análises por voltametria cíclica revelaram que os materiais híbridos obtidos neste trabalho, de forma análoga ao observado para o VOx e o V2O5, apresentam um bom potencial de inserção de íons lítio e de utilização como cátodos em baterias recarregáveis de íons lítio.

Abstract: This work reports the synthesis of different vanadium oxides by sol-gel processing of a new vanadium(IV) alkoxide precursor, [V2(OR)8] (OR = isopropoxide), together with the use of these oxides as inorganic fractions in the development of new polyaniline-vanadium oxide hybrid materials. The oxide obtained from [V2(OR)8] at 55 °C (VOx) was characterized by FTIR, Raman, RPE and UV-vis (absorbance and diffuse reflectance modes) spectroscopies, powder X-ray diffractometry (XRD), transmission electron microscopy (TEM), high-resolution TEM, thermogravimetric and electron diffraction analyses. Results indicate that VOx is a mixed valence VIV/VV oxide, probablyV10O24.nH2O, with a lamellar structure which easily exfoliates in aqueousdispersions. Thermal treatment of VOx at 400 °C, in air, led to the formation ofspherical V2O5 nanoparticles (5-20 nm), which were also characterized by the techniques already mentioned. Cyclic voltammetry analyses indicated that both VOx and V2O5 present high capacity and reversibility for Li+ insertion in the lamellar structures, which makes them promising materials for application ascathodes in lithium rechargeable batteries. For the preparation of the hybrid materials, VOx and V2O5 were added to acid aniline solutions in different molar ratios. The presence of vanadium(V) in the oxides led to the oxidative polymerization of aniline without the addition of other oxidants. All hybrid materials obtained in this work were characterized by the same spectroscopic, diffractometric, thermogravimetric, voltammetric and microscopicanalyses employed for the oxides. Results confirmed the formation of polyaniline in the emeraldine salt (conducting) form. TEM and HRTEM images obtained for the composites revealed the presence of VOx and V2O5 nanoparticles dispersed in the polyaniline bulk. Based on these images, a model has been proposed for the morphological changes determined by the distinct molar proportions employed in the preparation of the hybrids. Cyclic voltammetry analyses indicated that the hybrid materials, similarly to the pure oxides, could be successfully employed as cathodes in lithiumrechargeable batteries.